CC BY
24
УДК 661.635.2
М. И. Никандров, И. С. Никандров, В. Э. Ткачева ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СОЛЕЙ
Ключевые слова: технология, соли, рецикл, маточник, энергосбережение.
Показано влияние кратности циркуляции маточника на стадию приготовления нейтрализующих агентов на энергосбережение в технологиях неорганических солей. Определены изменения концентрации примесей в мо-нонатрийфосфате безводном, динатрийфосфате семиводном, тринатрийфосфате десятиводном, в хлористом барии двухводном и хлористом аммонии, при увеличении кратности рецикла маточника на стадии приготовления нейтрализующих растворов. Даны оценки изменения съемов товарных солей с единицы объема оборудования и энергетических затрат на 1 тонну получаемых солей. В циркуляционных технологиях энергетические затраты снижаются на 5-13 ГДж/т.
Keywords: technology, salts, recycle, mother solution, energy saving.
The influence of the mother solution circulation rate on the preparation stage of neutralizing agents, on the energy saving in the inorganic salts technologies are shown. The changes in the concentration of impurities in anhydrous monosodium phosphate, disodium phosphate heptahydrate, trisodium phosphate decahydrate, barium chloride dihydrate and ammonium chloride, with the increasing rate of the mother solution recycle stage of neutralizing solutions preparation are defined. Measurement of changes in the volumes of salable salt per unit of equipment and energy consumption per 1 ton of produced salt is stated. In the circulating technologies a power expenses are decreased to 5-13 GJ per tonne.
Введение
Неорганические соли и удобрения являются весьма энергоемкими. Доля энергетических затрат на их производство составляет 15-20% себестоимости. Поэтому снижение энергетических затрат является важнейшим направлением совершенствования технологий их получения.
Производство неорганических солей проведением реакций нейтрализации или обменным взаимодействием всегда связано с получением разбавленных нейтрализованных растворов. В результате выделения товарных солей кристаллизацией из раствора, их подвергают упарке или сушке в распылительных сушилках или в сушилках с «кипящим слоем» продукта. Данные процессы весьма энергоемки.
Одним из перспективных способов снижения энергетических затрат на получение солей является использование циркуляционных технологий [1]. Однако применение рецикла маточных растворов на стадию получения нейтрализованных растворов имеет и некоторые отрицательные последствия. С рециклом маточника в системе происходит накопление примесных компонентов. Это может снизить качество получаемых солей. За счет рецикла маточника на нейтрализацию несколько возрастает объем нейтрализованного раствора. Это приводит к снижению съема продукционной соли с единицы объема емкостного и кристаллизационного оборудования, а, следовательно, к увеличению доли амортизационных отчислений в структуре себестоимости.
Цель работы
Выполнить оценку позитивных и негативных вкладов рециклинга маточных растворов на изменение составных элементов себестоимости солей, получаемых по энергосберегающим циркуляционным технологиям.
Экспериментальная часть
Изменение концентрации примесей в нейтрализованных растворах при рецикле маточника определяли
по данным [2-4]. Объемы растворов и съем продукта оценивали по данным [5]. Снижение энергетических расходов на получение тонны соли определяли по данным затрат в опытных и опытно-промышленных условиях. Анализ продуктов на содержание примесей проводили в соответствии с ГОСТом на соответствующие соли. Суммарное содержание примесей принимали по долям нерастворимых веществ, железа, тяжелых металлов, сульфатов и мышьяка.
Результаты и их обсуждение
Результаты определения влияния кратности рецикла маточника на изменение суммарного содержания примесей приведены на рис. 1 по данным для пяти циклов возврата маточных растворов на приготовление содовой суспензии и нейтрализацию кислот.
п
МНФ - мононатрийфосфат безводный; ДНФ - динат-рийфосфат семиводный; ТНФ - тринатрийфосфат де-сятиводный; ХА - хлористый аммоний; ХБ - хлористый барий двухводный
Рис. 1 - Влияние кратности рецикла (п) на суммарную долю примесей в соли после 5 циклов возврата маточных растворов
Кратность рецикла определяли по отношению массы возвратного раствора, подаваемого на стадии приготовления содовых суспензий и нейтрализацию
кислых растворов, к массе выделяемой соли.
Для всех изученных солей суммарное содержание примесных компонентов в солях с влажностью 0,5% с ростом кратности рецикла повышается. После пяти циклов возврата раствора оно возрастает практически на порядок, но не превышает 0,13% масс.
Для фосфатов натрия отмечено, что изменение суммарного содержания примесей с увеличением кратности рецикла носит S-образный характер. Доля примесей в тринатрийфосфате с ростом числа циклов возврата растворов повышается с большим темпом, чем для одно- и двузамещенных фосфатов. На рис. 2 представлено влияние кратности рецикла растворов (п) на необходимый удельный объем оборудования технологической системы в расчете на получение 1 т. соли.
Рис. 2 - Влияние кратности рецикла (п) на объем растворов (%)
Для получения хлористого аммония, мононатрий-фосфата безводного и динатрийфосфата семиводного отмечен минимум объема емкостного, реакционного и кристаллизационного оборудования, имеющим место при кратности рецикла близком к 0,5. При получении тринатрийфосфата десятиводного объем растворов возрастает в 1,7 раза; при получении хлористого бария двухводного в 1,5 раза, а при получении динатрий-фосфата семиводного и мононатрийфосфата безводного в 1,08 - 1,2 раза.
При использовании рецикла маточных растворов за счет соответствующего сокращения подачи свежей воды на приготовление содовой суспензии или на разбавление кислотных растворов, концентрации нейтрализованных растворов возрастают (рис. 3).
При увеличении кратности рецикла до 1 - 1,2 концентрация раствора хлористого бария возрастает в 2,8 раза; раствора хлористого аммония в 1,6 - 1,7 раза; раствора фосфатов в 1,35 - 1,4 раза. При этом максимум концентрации нейтрализованного раствора близок к перитектической концентрации осаждаемого из данного раствора вида кристаллогидрата (соли). Это исключает необходимость введения выпарки раствора, а, следовательно, приводит к снижению энергетических затрат на получение необходимой концентрации нейтрализованного раствора и получение продукта.
В связи с получением в циркуляционных технологиях более концентрированных нейтрализованных растворов, появляется возможность выделения товарных солей в виде менее водных кристаллогидратов, что обеспечивает значительное снижение затрат на фасовку, хранение и транспортирование продуктов.
Снижение энергетических расходов на получение соли складывается из уменьшения затрат на использование хладагента с необходимым уровнем температур и из сокращения расхода пара, на упарку в выпарном аппарате. Как видно из рис. 4, по данным эксплуатации опытных и опытно-промышленных технологических систем снижение энергетических затрат в производстве тринатрий-фосфата десятиводного составляет 4,6 ГДж/т, в производстве динатрийфосфата семиводного 5,9 ГДж/т, в производстве мононатрийфосфата безводного 3,3 ГДж/т, в производстве хлористого аммония 17 ГДж/т и в производстве хлористого бария двух-водного 4 ГДж/т.
Е. ГДж/т
Рис. 3 - Влияние кратности циркуляции (п) на концентрацию нейтрализованного раствора (С, % мас.)
Рис. 4 - Влияние кратности рецикла маточного раствора на стадию приготовления нейтрализующих агентов (п) на увеличение удельных энергетических расходов (Е, ГДж/т)
Анализом технологических процессов при получении 40 солей, наиболее массово потребляемых в различных отраслях; показано, что в 24 из них применение рецикла маточных растворов на стадии приготовления нейтрализующих растворов содовой суспензии или разбавления исходных кислот можно достичь значительного сокращения энергетических затрат за счет исключения необходимости упарки нейтрализованных растворов или их сушки в распылительных сушилках или в сушилках «кипящего слоя». Поскольку энергетические затраты в произ-
водстве солей составляют 15 - 25 % от себестоимости, то применение циркуляционных процессов может стать важнейшим приемом обеспечения энергосбережения в производстве неорганических солей.
На примере сравнения технологий хлористого аммония из абгазной соляной кислоты (рис. 1) и абсорбцией хлористого водорода циркулирующим маточным раствором (рис. 2) показано, что циркуляционная технология не только менее энергозатратна, но и может быть организована с меньшими капитальными затратами и экологически более эффективна. При получении хлористого аммония с сушкой раствора в сушилке «кипящего слоя» на 1 тонну продукта расходуется природного газа в количестве 582 кг условного топлива и образуется 2,8 м3 стоков, требующих очистку.
В результате анализа сформулированы критерии эффективного применения циркуляционных процессов энергосбережения в производстве солей.
Приведенные примеры возможностей совершенствования технологий солей показывают, что использование рециклинговых технологий путём использования циркуляции маточных растворов после выделения товарных солей позволяют:
- достичь энергосбережения за счет исключения стадий выпарки и стадий сушки растворов в аппаратах кипящего слоя;
- обеспечить получение более концентрированных продуктов с новыми потребительскими и технологическими свойствами;
- использовать для отвода тепла кристаллизации воду водооборотного цикла взамен применяемых по существующих технологиям дорогостоящих хладагентов (захоложенной воды и рассолов);
- обеспечить ресурсосбережение в производстве за счет снижения потерь со стоками и снижения расходных коэффициентов;
- снизить себестоимость получаемых продуктов.
Заключение
Применение рецикла маточных растворов позволяет за счет снижения энергетических затрат уменьшить себестоимость солей на 13-18 %. При проведении 5 циклов возврата маточника качество выделяемых солей удовлетворяет требованиям соответствующих технических условий.
Литература
1 Никандров М. И., Никандров И. С. Разработка приемов совершенствования производства солей [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образо-вания.-2013.- № 6; URL: http: www.science-education.ru /113-11239.
2 Никандров М. И. Исследование кристаллизации фосфатов натрия [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования.-2012.-№3; URL: http:www.science-education.ru/103-6154.
3 Никандров М. И., Никандров И.С. Пересыщение в растворах при кристаллизации фосфатов натрия// Современные проблемы науки и образования.-2012.-№4; URL:http:www.science-education.ru/104-6507.
4 Никандров М. И., Никандров И. С. Кристаллизация хлористого аммония // Фундаментальные исследования.-2012.-№ 6 (часть 1).- C. 145-149.
5 Никандров М. И., Никандров И. С., Суровегина Т.Ю. Распределение примесей при кристаллизации семивод-ного динатрийфосфата [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования.-2014.-№ 6; URL: http: www.science-education.ru/120-16334.
© М. И. Никандров - канд. техн. наук, ведущий инженер Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева (ДПИ НГТУ), [email protected]; И. С. Никандров - д-р техн. наук, профессор ДПИ НГТУ; В. Э. Ткачева - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии электрохимических производств КНИТУ, [email protected].
© M. 1 Nikandrov - PhD in Engineering sciences, leading engineer, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, [email protected]; 1 S. Nikandrov - Grand PhD in Engineering sciences, Professor, the same University; V. E. Tkacheva - PhD in Engineering sciences, Associate Professor, Department of Electrochemical engineering, KNRTU, [email protected].
